用GreenPAK可配置混合信号IC设计非接触式旋转编码器

引言

本文介绍了如何采用Dialog GreenPAK 设计高可靠性旋转开关或编码器。该开关设计是非接触式的，因此忽略了接触氧化和磨损。该设计非常适用于户外长期潮湿、灰尘、极端温度等场景。

Dialog GreenPAK SLG46537：GreenPAK CMIC为该设计提供所有电路功能。它会生成一个信号（EVAL）以改善信噪比，接收来自旋转开关的每个码盘的输入，并使用异步状态机（ASM）解读每个码盘，以确保仅一个开关选择。

设计概念

该设计通过计时工作。它产生一个时钟（EVAL）信号，通过外部100kΩ电阻缓慢上拉每个码盘（图1）。EVAL信号电容耦合到中央游标，它驱动所选码盘的上升沿的速度，比所有其他码盘的上升沿更快（图1中 fast）。然后，GreenPAK异步状态机（ASM）评估哪个上升沿最先到达，并锁存结果。电容耦合设计的优点是其可靠性。无论编码器是设计成电容性的，然后磨损至直接连接，还是设计成直接连接，然后降级（氧化）至电容性，它仍然可以工作。

图1中的顶层原理图显示了连接到外部LED的输出，作为演示。

图1. 顶层应用原理图

图2是示波器捕获图，显示了具有与其对应的选择器游标的码盘的上升时间差异，对比其他未选择的码盘上升时间。Delta T为248nS，这超过GreenPAK异步状态机（ASM）解析所需的余量。ASM可以在1纳秒内解析，其内部仲裁电路保证只有一个级有效。因此，任何时候只能记录一个输出。

图2. 示波器捕获图显示上升时间的差异

GreenPAK设计实现

图3显示了在GreenPAK可配置混合信号IC（CMIC）中配置的电路原理图。

图3. GreenPAK设计电路原理图

为了节省功耗，EVAL信号以适合应用的响应时间的速率生成。使用低频振荡器并进一步用CNT2分频。在这个例子中，大约是16Hz。请参见图4中的配置设置。

图4. 振荡器配置设置

图5异步状态机（ASM）的状态电路图显示了可能的状态转换。

图5. 异步状态机的状态电路图显示了可能的状态转换

将EVAL短延迟的副本用作每个周期的ASM复位。这确保了我们始终从STATE0开始。在ASM复位状态之后，每个码盘处的ASM对EVAL信号进行监测。只有最早的上升沿才会导致状态转换出STATE0。由于只允许一个状态转换，因此来自其他码盘的任何后续上升沿将被忽略。这也是取决于我们配置ASM的方式，如图6所示，6个ASM输出状态中的每一个仅对应于一个码盘。

DFF锁存器保持ASM结果稳定，以便在ASM复位期间不会切换最终输出。驱动开漏NMOS输出引脚所需的极性，要求我们配置具有反相输出的DFF。

图6. 输出链接矩阵

测试结果

下面的照片显示了一个较粗糙的原型，功能完整且可正常运行。它也是低功耗的，GreenPAK测量仅5uA。

码盘和游标的布局做到最大化，以获得最强的信号。该原型经测试发现不受强射频干扰影响，如大型荧光灯和5W 145MHz无线电。这可能是因为所有码盘都在共模中接收干扰。

可以排列布置一下码盘和游标尺寸，确保在任何位置都不会出现两个码盘同时与游标重叠。这可能不是必需的，因为ASM仲裁电路仅允许其中一个状态有效，即使有2个同时上升沿时亦如此。这是该设计稳健的另一个原因。电路板布局具有良好的灵敏度，与码盘的互连迹线非常窄，并且长度相等，因此每个码盘的总电容与其他码盘一致。最终产品可能包括游标的机械制动器，因此当它们位于每个位置中心时会“咔哒”一声，并且提供良好的触感。

总结

Dialog公司的GreenPAK CMIC为这款高可靠性旋转开关提供低功耗、强大而完整的解决方案。它非常适用于需要稳定、长期运行的户外定时器和控制器等应用。

作者：Jozef Froniewski，Dialog半导体公司应用工程师